Strona głównaPytania → Jak mechanika kwantowa tłumaczy, że...

Jak mechanika kwantowa tłumaczy, że kąt padania jest równy kątowi odbicia światła?

Pytanie

Pyta Mariusz

Jak mechanika kwantowa tłumaczy, że kąt padania jest równy kątowi odbicia światła? W skali makro można to łatwo udowodnić stosując zasadę Huygensa, jednak jak to wygląda w skali atomowej? Fotony rozpraszane są we wszystkich kierunkach, ale dlaczego tylko dla kąta odbicia równego kątowi padania dochodzi do konstruktywnej interferencji? Dlaczego wypolerowane metale dobrze odbijają światło i mają połysk?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Kąt pod jakim zajdzie konstruktywna interferencja możemy w mechanice kwantowej wyznaczyć z zasady Huygensa dokładnie tak samo, jak w elektrodynamice klasycznej. Natomiast sam fakt zastosowania zasady Huygensa staje się jaśniejszy właśnie w przypadku kwantowym, gdy pomyślimy o orbitalach elektronowych wpadających w oscylacje wymuszone falą padającą, i emitujących promieniowanie zgodne w fazie z tą falą.

Wyobraźmy sobie pojedyńczy foton nadlatujący w kierunku powierzchni odbijającej, w której każdy z elektronów zlokalizowany jest w okolicy konkretnego atomu. Foton odbija się (w dobrym przybliżeniu) tylko od jednego atomu. Jednak zjawisko odbicia fotonu od atomu A może w mechanice kwantowej interferować ze zjawiskiem odbicia tego samego fotonu od innego atomu B, gdyż w chwili końcowej (po odbiciu) stan układu wszystkich atomów ośrodka jest identyczny (patrz zastrzeżenie dotyczące absorpcji poniżej).

Nie tylko dobrze wypolerowane metale, lecz również gładka tafla wody lub kryształowa szyba mają połysk, a światło odbija się od nich tak, że obrazy odbite są wyraźnie widoczne. Koniecznymi warunkami do tego są gładkość powierzchni oraz brak dominacji absorpcji, w której energia padającego światła przekształcana byłaby na energię wewnętrzną (np. termiczną) ośrodka. W przypadku metali będących przewodnikami dodatkowy czynnik poprawiający jakość obrazu odbitego związany jest z faktem, że fala elektromagnetyczna nie może wnikać do przewodnika, a zatem zostaje odbita w całości, w przeciwieństwie do fali odbitej od tafli wody lub od kryształowej szyby. Funkcje falowe elektronów uczestniczących w zjawisku odbicia światła nie muszą być w przewodnikach zlokalizowane w okolicy konkretnego jądra atomowego, ale ten fakt nie ma wpływu na stosowalność zasady Huygensa.